EP2413357A2 - Leistungshalbleitermodul mit mindestens einer Positioniervorrichtung für ein Substrat - Google Patents
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- EP2413357A2 EP2413357A2 EP11172452A EP11172452A EP2413357A2 EP 2413357 A2 EP2413357 A2 EP 2413357A2 EP 11172452 A EP11172452 A EP 11172452A EP 11172452 A EP11172452 A EP 11172452A EP 2413357 A2 EP2413357 A2 EP 2413357A2
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Definitions
- the present invention relates to a compact power semiconductor module with a frame or cup-like housing and at least one substrate, which is arranged by means of an associated positioning device to this housing of the power semiconductor module.
- the at least one substrate is arranged in an associated recess of the housing, wherein it is preferred that the substrate is centered in this To arrange recess.
- the recess of the housing has at least one, but preferably at least three, positioning devices.
- the at least one positioning device is assigned at least one, but preferably at least three, abutments for the central arrangement. In this case, this particular abutment may be formed as a stop element or as a separate positioning within the meaning of this invention.
- the positioning device in one or more parts with the housing.
- a plug connection each separately trained positioning with the housing providable.
- Fig. 1 schematically shows a section of a first embodiment of a power semiconductor module according to the invention in a sectional view.
- Fig. 2 schematically shows a section of a second embodiment of a power semiconductor module according to the invention in a sectional view.
- Fig. 1 schematically a section of a first embodiment of a power semiconductor module (1) according to the invention with a substrate (30), which is here designed as a base plate (38) arranged thereon with a switching substrate (36).
- the switching substrate (36) in turn consists of an insulating body with arranged on the first and second major surface metallic laminations, wherein the metallic lamination on the interior of the power semiconductor module facing major surface are structured in itself and thus forms insulated interconnects. From the strip conductors go auxiliary and load connection elements to the external connection of the power semiconductor module.
- power semiconductor devices such as power diodes and / or power switches are usually arranged in the form of power transistors and connected to each other circuit.
- the power semiconductor module (1) has a frame-like or cup-like housing (20) with a recess (200) in which the substrate (30) is arranged.
- the substrate thus forms the housing bottom of the power semiconductor module (1).
- a plurality of positioning devices (60) are provided in the recess (200) of the housing (20) as part of this housing, each in contact with associated side surfaces (300) of the substrate (30) ,
- Fig. 2 schematically shows a detail of a second embodiment of a power semiconductor module (1) according to the invention in a sectional view.
- the substrate (30) here as a switching substrate (36) without additional base plate (38, see. Fig. 1 )) educated.
- at least one of the positioning devices (60) has an extension (64) which abuts against a surface (310), which faces the interior of the power semiconductor module, of a main surface of the substrate (30).
- This extension (64) additionally has the task of allowing a positioning of the substrate (30) in the form of a stop orthogonal to the two basic positioning directions of the positioning devices (60).
- the positioning devices (60), optionally together with the associated abutments (50), define the horizontal position of the substrate (30), while the extension (64) moves the substrate (30) in the direction of the interior of the power semiconductor module (1). prevented.
- Fig. 3 shows a three-dimensional view of a third embodiment of a power semiconductor module according to the invention. Shown here is a part of a housing (20), which is formed here only as a holding frame and a recess (200) for receiving a substrate (30). This is shown reduced to explain the arrangement and function of the positioning devices (60).
- the positioning devices (60) are provided in two embodiments, their concrete embodiment in the Fig. 4 or 6 is shown enlarged. Each of these positioning devices (60) has a resilient portion (68) and a contact element (62), which is provided here in each case with a chamfer (66). During assembly of the substrate (30) in the recess (200) of the housing (20), this serves to bias the positioning devices (60) without any further aids. After assembly, the positioning devices (60) are in contact with the contact surfaces (62) on the side surfaces (300, 302) of the substrate (30) and generate a frictional connection to the substrate (30) by means of the resilient sections (68) ), which experiences its counterforce by the opposite abutment (50). After assembly of the substrate (30), this is thus centered in the recess of the housing (20) for the further assembly process of the power semiconductor module and also for its operation.
- FIG. 4 shows an additional recess (202) of the housing and herein in the direction of the substrate above a first embodiment of a positioning device.
- This is integral with the housing, which in turn consists of a suitable plastic formed.
- the resilient portion (68) is designed here as a movable web, to which the contact element (62) directly connected.
- This contact element (62) has a contact surface (620) for frictional contact with a side face (300) of the substrate (30).
- Fig. 5 shows a second embodiment of the positioning device (60) of the housing (20).
- the resilient portion (68) is formed here as a spring clip, which preferably protrudes in the direction of the interior of the power semiconductor module, whereby a very compact design of the positioning device (60) is achieved.
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Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein kompaktes Leistungshalbleitermodul mit einem rahmen- oder becherartigen Gehäuse und mindestens einem Substrat, das mittels einer zugeordneten Positioniervorrichtung zu diesem Gehäuse des Leistungshalbleitermoduls angeordnet ist.
- Einen Ausgangspunkt der Erfindung bilden Leistungshalbleitermodule, wie sie beispielhaft aus der
EP 2 037 498 A1 bekannt sind. Diese offenbart ein Leistungshalbleitermodul mit einem Substrat mit hierauf angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen sowie Hilfs- und Lastanschlusselementen. Ebenso ein Gehäuse mit einer Ausnehmung zur Aufnahme des Substrats. Eine Fixierung dieses Substrats zum Gehäuse erfolgt beispielsweise mittels einer Klebeverbindung. - Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind weiter Ausgestaltungen von Leistungshalbleitermodulen bekannt, die ebenso ein Gehäuse mit einer Ausnehmung zur Aufnahme des Substrats aufweisen, wobei das Substrat in der Ausnehmung ausschließlich dadurch fixiert ist, dass das Gehäuse mit einer Vergußmasse gefüllt wird. Diese Vergußmasse ist beispielhaft als ein Silikongel ausgeführt, das sich nach dem Einfüllvorgang verfestigt und somit eine adhäsive Wirkung ausbildet, durch die das Substrat in der Ausnehmung des Gehäuses an dessen Rand haften bleibt.
- Diese Verbindung mittels Vergußmasse, wie auch diejenige mittels eigener Klebeverbindung sind dahingehend nachteilig, dass das Substrat beim Verfestigen oder Aushärten die vorgesehene Lage einnehmen und eine gewisse Zeitspanne beibehalten muss. Eine präzise Positionierung des Substrats ist somit in einem üblichen Fertigungsprozess nur mit hohem Aufwand möglich. Zudem kann bei derartigen Befestigungen im Betrieb, induziert durch wechselnde Temperaturbelastung, die Verbindung teilweise unterbrochen werden, was möglicherweise zu Problemen bei der elektrischen Isolation des Substrats gegen einen Kühlkörper, auf dem das Leistungshalbleitermodul positioniert ist, führen kann.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Leistungshalbleitermodul vorzustellen bei dem die Anordnung des Substrats in einem Gehäuse verbessert ist und die einer einfachen Montage zu einem Leistungshalbleitermodul zugänglich ist.
- Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Leistungshalbleitermodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
- Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde mindestens eine dynamische Positioniervorrichtung im Gehäuse anzuordnen, welche eine kraftschlüssige Befestigung für ein Substrat ausbildet, wodurch Fertigungs- und Montagetoleranzen minimiert werden können.
- Der erfinderische Gedanke geht aus von einem Leistungshalbleitermodul mit einem, vorzugsweise rahmen- oder becherartigen, Gehäuse und mindestens einem Substrat, das vorzugsweise zumindest teilweise eine Außenseite des Leistungshalbleitermoduls bildet. Ebenso kann das Gehäuse als ein Halterahmen in einem größeren leistungselektronischen Verbund sein und das Substrat hierzu geeignet angeordnet werden. Das Substrat selbst ist vorzugsweise als Schaltsubstrat oder als Grundplatte mit einem hierauf angeordneten Schaltsubstrat ausgebildet. Bekannte Schaltsubstrate sind hierbei beispielhaft IMS oder DCB Substrate, wobei das letztgenannte einen Isolierstoffkörper mit an dessen erster und zweiter Hauptfläche angeordneten metallischen Kaschierungen aufweist, und hierbei diejenige metallische Kaschierung, die dem Inneren des Leistungshalbleitermoduls zugewandt ist in sich strukturiert ist und somit voneinander isolierte Leiterbahnen ausbildet. Auf den Leiterbahnen des Substrats ist mindestens ein Leistungshalbleitermodul angeordnet. Das Leistungshalbleitermodul weist gemäß dem Stand der Technik noch Leistungshalbleiterbauelemente sowie Anschluss- und Verbindungselemente auf, deren konkrete Ausgestaltung allerdings nicht relevant für die hier vorgestellte Anordnung des Substrats zum Gehäuse ist.
- Erfindungsgemäß ist das mindestens eine Substrat in einer zugeordneten Ausnehmung des Gehäuses angeordnet, wobei es bevorzugt ist das Substrat mittig in dieser Ausnehmung anzuordnen. Hierzu weist die Ausnehmung des Gehäuses mindestens eine, vorzugsweise jedoch mindestens drei, Positioniervorrichtungen auf. Ebenso ist es bevorzugt, wenn der mindestens einen Positioniervorrichtung mindestens ein, vorzugsweise jedoch wiederum mindestens drei, Widerlager für die mittige Anordnung zugeordnet ist. Hierbei kann dieses jeweilige Widerlager als Anschlagelement oder auch als eigene Positioniervorrichtungen im Sinne dieser Erfindung ausgebildet sein.
- Eine Positioniervorrichtung ihrerseits weist einen federnden Abschnitt und ein Kontaktelement auf. Der federnde Abschnitt dient der Druckausübung auf das Substrat, wodurch das Kontaktelement kraftschlüssig an diesem Substrat anliegt. Das Kontaktelement weist hierzu vorzugsweise eine Anphasung auf um bei der Montage des Substrats in der Ausnehmung des Gehäuses diese Montage leicht ausführen zu können. Durch diese Anphasung wird der federnde Abschnitt bei der Montage durch das Anordnen des Substrats selbständig vorgespannt.
- Bei jeglicher Ausgestaltung der mindestens einen Positioniervorrichtung mit federndem Abschnitt und Kontaktelement entsteht durch diese Vorspannung ein kraftschlüssiger Kontakt des Kontaktelements mit einer zugeordneten Seitenfläche des Substrats, wobei dieses in der Ausnehmung des Gehäuses angeordnet ist.
- Grundsätzlich ist es möglich, die Positioniervorrichtung einteilig oder mehrteilig mit dem Gehäuse auszugestalten. Bei einer mehrteiligen Anordnung ist beispielsweise eine Steckverbindung jeweils gesondert ausgebildeter Positioniervorrichtungen mit dem Gehäuse vorsehbar.
- Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Kontaktfläche eines Kontaktelements einer Positioniervorrichtung oder eines Anschlagelementes zum Substrat jeweils nur 5 von 100 der gesamten Seitenfläche des Substrats beträgt. Vorzugsweise sind die Positioniervorrichtungen derartig zur jeweiligen Seitenfläche des Substrats angeordnet, dass das Substrat nicht nur mittig in der Ausnehmung zu liegen kommt, sondern auch, dass Rotationskräfte auf das Substrat möglichst geringe Kraft auf die federnden Abschnitte der Positioniervorrichtung ausüben. Daher ist es beispielhaft bevorzugt einer ersten Seitenfläche eines Substrats eine Positioniervorrichtung mittig zu dieser Seitenfläche anzuordnen. Einer zweiten, zu dieser ersten orthogonalen, Seitenfläche sind dann zwei Positioniervorrichtungen derart zugeordnet, dass die Krafteinleitung möglichst nahe der Ecken des Substrats erfolgt.
- Die Anzahl und Ausbildung der Positioniervorrichtungen sind abhängig vom Gewicht und der Größe des Substrats, so dass es zu keiner zu hohen Druckbeaufschlagung des Substrats führt und zugleich eine ausreichende Positionierkraft auf das Substrat ausgeübt wird.
- Der erfinderische Gedanke wird anhand der Ausführungsbeispiele in den
Fig. 1 bis Fig. 6 näher erläutert. -
Fig. 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls in Schnittansicht. -
Fig. 2 zeigt schematisch einen Ausschnitt einer zweiten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls in Schnittansicht. -
Fig. 3 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer dritten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls. -
Fig. 4 bis 6 zeigen verschiedene Ausführungsformen von Positioniervorrichtungen erfindungsgemäßer Leistungshalbleitermodule. -
Fig. 1 schematisch einen Ausschnitt einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls (1) mit einem Substrat (30), das hier als Grundplatte (38) mit einem hierauf angeordneten Schaltsubstrat (36) ausgebildet ist. Das Schaltsubstrat (36) seinerseits besteht aus einem Isolierstoffkörper mit an dessen erster und zweiter Hauptfläche angeordneten metallischen Kaschierungen, wobei die metallische Kaschierung auf der dem Inneren des Leistungshalbleitermoduls zugewandten Hauptfläche in sich strukturiert sind und somit voneinander isolierte Leiterbahnen ausbildet. Von den Leiterbahnen gehen Hilfs- und Lastanschlusselemente zur externen Verbindung des Leistungshalbleitermoduls aus. - Auf den Leiterbahnen der Schaltsubstrate sind Leistungshalbleiterbauelemente, wie Leistungsdioden und / oder Leistungsschalter meist in Form von Leistungstransistoren angeordnet und miteinander schaltungsgerecht verbunden.
- Weiterhin weist das Leistungshalbleitermodul (1) ein rahmen- oder becherartiges Gehäuse (20) mit einer Ausnehmung (200) auf, in der das Substrat (30) angeordnet ist. Das Substrat bildet hier somit den Gehäuseboden des Leistungshalbleitermoduls (1) aus. Zur vorzugsweise mittigen Anordnung des Substrats (30) sind in der Ausnehmung (200) des Gehäuses (20) als Teil dieses Gehäuses eine Mehrzahl von Positioniervorrichtungen (60) vorgesehen, die jeweils im Kontakt zu zugeordneten Seitenflächen (300) des Substrats (30) stehen.
- Hierbei weisen die Positioniervorrichtung (60) jeweils vorzugsweise einen federnden Abschnitt (68) und ein Kontaktelement (62) mit einer Kontaktfläche (620, vgl. auch
Fig. 4 bis 6 ) auf. Mittels des federnden Abschnitts (68) wird dieses Kontaktelement (62) mit seiner Kontaktfläche (620) gegen die Seitenfläche (300) des Substrats (30) gedrückt und liegt dauerhaft kraftschlüssig an dieser an. Es ist hierbei bevorzugt, wenn die Größe der Kontaktfläche (620) eines Kontaktelements (62) nicht mehr als 5 von 100 der Größe der zugeordneten Seitenfläche (300) beträgt. - Zur Aufnahme der Druckkraft, bzw. zum Aufbau einer Gegenkraft, weist das Gehäuse (20) auf der gegenüberliegenden Seite der Positioniervorrichtung (60) dieser zugeordnet mindestens ein Widerlager (50) auf. Durch geeignete Ausgestaltung der Positioniervorrichtung (60) wie auch des Widerlagers (50) ist es möglich das Substrat (30) kraftschlüssig mittig in der Ausnehmung (200) des Gehäuses (20) anzuordnen. Hierbei ist es vorteilhaft aber nur in wenigen Anwendungsfällen notwendig, wenn die durch die Positioniervorrichtung (60) aufgebrachte Kraft ausreichend ist das Substrat (30) in der Ausnehmung (200) ohne weitere Hilfsmittel zu halten.
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Fig. 2 zeigt schematisch einen Ausschnitt einer zweiten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls (1) in Schnittansicht. Im Gegensatz zur Ausgestaltung gemäßFig. 1 ist hier das Substrat (30) hier als Schaltsubstrat (36) ohne zusätzliche Grundplatte (38, vgl.Fig. 1 )) ausgebildet. Zudem weist hier mindestens eine der Positioniervorrichtungen (60) einen Fortsatz (64) auf, der an einer dem Inneren des Leistungshalbleitermoduls zugewandten Fläche (310), einer Hauptfläche des Substrats (30), anliegt. Dieser Fortsatz (64) hat zusätzlich die Aufgabe eine Positionierung des Substrats (30) in Form eines Anschlags orthogonal zu den beiden grundlegenden Positionierrichtungen der Positioniervorrichtungen (60) zu gestatten. Die Positioniervorrichtungen (60), ggf. gemeinsam mit den zugeordneten Widerlagern (50) legen hierbei die horizontale Lage des Substrats (30) fest, während der Fortsatz (64) eine Bewegung des Substrats (30) in Richtung des Inneren des Leistungshalbleitermoduls (1) verhindert. -
Fig. 3 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer dritten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls. Dargestellt ist hier ein Teil eines Gehäuses (20), das hier nur als ein Halterahmen ausgebildet ist und eine Ausnehmung (200) zur Aufnahme eines Substrats (30) aufweist. Dieses ist verkleinert dargestellt um die Anordnung und Funktion der Positioniervorrichtungen (60) zur erläutern. - An zwei orthogonal zueinander angeordneten Innenflächen des Gehäuses (20) sind jeweils zwei Positioniervorrichtungen (60) vorgesehen, während auf den jeweils gegenüber liegenden Innenflächen zugeordnete Widerlager (50) vorgesehen sind. Auf der längeren Seite sind hier drei auf der kürzeren nur zwei dieser Widerlager (50) vorgesehen. Diese Widerlager (50) sind als vom Rand vorstehende Nasen ausgebildet und weisen jeweils eine Kontaktfläche mit der zugeordneten Seitenfläche des Substrats (30) auf deren Größe maximal 5 von 100 derjenigen der zugeordneten Seitenfläche beträgt.
- Die Positioniervorrichtungen (60) sind in zwei Ausgestaltungen, vorgesehen deren konkrete Ausgestaltung in den
Fig. 4 bzw. 6 vergrößert dargestellt ist. Jede dieser Positioniervorrichtungen (60) weist einen federnden Abschnitt (68) und ein Kontaktelement (62) auf, das hier mit jeweils einer Anphasung (66) vorgesehen ist. Diese dient bei der Montage des Substrats (30) in der Ausnehmung (200) des Gehäuses (20) dazu die Positioniervorrichtungen (60) ohne weitere Hilfsmittel vorzuspannen. Nach der Montage liegen die Positioniervorrichtungen (60) mittels der Kontaktelemente (62) mit ihren Kontaktflächen (620) an den Seitenflächen (300, 302) des Substrats (30) an und erzeugen mittels der federnden Abschnitte (68) einen Kraftschluss zum Substrat (30), der durch die gegenüberliegenden Widerlager (50) seine Gegenkraft erfährt. Nach der Montage des Substrats (30) ist dieses somit für den weiteren Montageprozess des Leistungshalbleitermoduls und auch für dessen Betrieb mittig in der Ausnehmung des Gehäuses (20) zentriert. -
Fig. 4 bis 6 zeigen verschiedene Ausführungsformen von Positioniervorrichtungen erfindungsgemäßer Leistungshalbleitermodule.Fig. 4 zeigt eine zusätzliche Freisparung (202) des Gehäuses und hierin in Richtung des Substrats vorstehend eine erste Ausgestaltung einer Positioniervorrichtung. Diese ist einstückig mit dem Gehäuse, das seinerseits aus einem geeigneten Kunststoff besteht, ausgebildet. Der federnde Abschnitt (68) ist hier als beweglicher Steg ausgebildet, an den das Kontaktelement (62) direkt anschließt. Dieses Kontaktelement (62) weist eine Kontaktfläche (620) zum kraftschlüssigen Kontakt mit einer Seitenfläche (300) des Substrats (30) auf. Zur leichteren Anordnung von Gehäuse (20) mit Positioniervorrichtung (60) und Substrat (30) zueinander weist das Kontaktelement (62) die bereits beschriebene Anphasung (66) auf. -
Fig. 5 zeigt eine zweite Ausführungsform der Positioniervorrichtung (60) des Gehäuses (20). Der federnde Abschnitt (68) ist hierbei als Federbügel ausgebildet, der vorzugsweise in Richtung des Inneren des Leistungshalbleitermoduls ragt, wodurch eine sehr kompakte Ausgestaltung der Positioniervorrichtung (60) erzielt wird. -
Fig. 6 zeigt eine dritte Ausführungsform der Positioniervorrichtung (60) des Gehäuses (20). Hierbei ist der federnde Abschnitt (68) wellenartig ausgebildet, wodurch eine höher Federkraft und gleichzeitig ein größerer Bewegungsbereich des Kontaktelements erreicht werden.
Claims (8)
- Leistungshalbleitermodul (1) mit einem rahmen- oder becherartigen Gehäuse (20) mit mindestens einer Ausnehmung (200) für mindestens ein Substrat (30), das als Schaltsubstrat (36) oder als Grundplatte (38) mit mindestens einem hierauf angeordneten Schaltsubstrat (36) ausgebildet ist, wobei das Gehäuse (20) in dieser Ausnehmung (200) mindestens eine Positioniervorrichtung (60) mit einem federnden Abschnitt (68) und einem Kontaktelement (62) aufweist, wobei das mindestens eine Kontaktelement (62) an einer zugeordneten Seitenfläche (300, 302) des Substrats (30) kraftschlüssig anliegt und somit Druck hierauf ausübt.
- Leistungshalbleitermodul (1) nach Anspruch 1,
wobei das Kontaktelement (60) quasi punktuell mit einer Kontaktfläche (620) von weniger als 5 von 100 der zugeordneten Seitenfläche (300, 302) an dieser anliegt. - Leistungshalbleitermodul (1) nach Anspruch 1,
wobei der mindestens einen Positioniervorrichtung (60) einer Seite mindestens ein Widerlager (50) an einer gegenüberliegenden Seite der Ausnehmung (200) des Gehäuses (20) zugeordnet ist und dieses als Anschlagelement ausgebildet ist. - Leistungshalbleitermodul (1) nach Anspruch 1,
wobei der mindestens einen Positioniervorrichtung (60) einer Seite mindestens ein Widerlager (50) an einer gegenüberliegenden Seite der Ausnehmung (200) des Gehäuses (20) zugeordnet ist, das ebenfalls als Positioniervorrichtung (60) ausgebildet ist. - Leistungshalbleitermodul (1) nach Anspruch 1,
wobei mindestens eine Positioniervorrichtung (60) einen Fortsatz (64) aufweist, der an einer dem Inneren des Leistungshalbleitermoduls zugewandten Fläche (310) einer Hauptfläche des Substrats (30) anliegt. - Leistungshalbleitermodul (1) nach Anspruch 1,
wobei einer ersten Seitenfläche (300) des Substrats (30) eine Positioniervorrichtung (60) und einer zweiten hierzu orthogonalen Seitenfläche (302) des Substrats (3) zwei Positioniervorrichtung (60) zugeordnet sind. - Leistungshalbleitermodul (1) nach Anspruch 1,
wobei das Kontaktelement (62) auf seiner dem Substrat (30) zugewandten Seite eine Anphasung (66) aufweist. - Leistungshalbleitermodul (1) nach Anspruch 1,
wobei die mindestens eine Positioniervorrichtung (60) und das Gehäuse (20) einstückig aus einem isolierenden Kunststoff ausgebildet sind.
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